材料连接新技术1课件

1、先进难焊材料的连接材料学院材料学院 焊接教研室焊接教研室太原科技大学1主要内容 先进材料发展概述先进材料发展概述 先进材料连接技术的发展概述先进材料连接技术的发展概述 塑料的连接技术塑料的连接技术 高温合金连接技术高温合金连接技术 陶瓷材料连接技术陶瓷材料连接技术 复合材料连接技术复合材料连接技术 功能材料连接技术功能材料连接技术 电子束、激光以及搅拌摩擦焊接技术发展现状电子束、激光以及搅拌摩擦焊接技术发展现状 水下焊接技术发展现状水下焊接技术发展现状 太空焊接技术发展现状太空焊接技术发展现状太原科技大学1教学目的u了解新型(先进)材料的研究与发展概况，掌握其成分、组织、性能等特点，重点掌握各

2、类新型材料的冶金连接性能及连接工艺特点。u了解各种材料连接的新兴技术的现状及发展趋势，掌握了解各种材料连接的新兴技术的现状及发展趋势，掌握其基本理论及技术方面的有关知识，分析和解决先进材其基本理论及技术方面的有关知识，分析和解决先进材料在连接过程中出现的各种焊接问题，能够结合具体材料在连接过程中出现的各种焊接问题，能够结合具体材料选择合适的连接方法。料选择合适的连接方法。太原科技大学1第一章：先进材料发展概述先进材料的分类和特点先进材料的分类和特点先进材料的应用及发展先进材料的应用及发展太原科技大学1基本概念基本概念材材 料：料： 人类可接受、能经济地制造有用器件（或物品）人类可接受、能经济地

3、制造有用器件（或物品）的物质。的物质。先进材料：先进材料： 具有比传统钢铁材料和有色金属材料更加优异具有比传统钢铁材料和有色金属材料更加优异的性能，能够满足高新技术发展需要的一类工程材料，如高的性能，能够满足高新技术发展需要的一类工程材料，如高技术陶瓷、金属间化合物、复合材料等。特指那些新近开发技术陶瓷、金属间化合物、复合材料等。特指那些新近开发或正在开发的具有优异性能和特殊用途的材料。或正在开发的具有优异性能和特殊用途的材料。太原科技大学1按照材料属性划分为四类：按照材料属性划分为四类：先进金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、先进复合材料。按材料的使用性能分为两类：按材料的使用性能分为

4、两类：结构材料和功能材料。结构结构材料材料是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求的材料；功能材料功能材料是利用材料具有的电、磁、声、光、热等效应，以实现某种功能的材料，如超导材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和核材料等。太原科技大学1工程中经常涉及的先进材料主要包括四类：工程中经常涉及的先进材料主要包括四类：先进陶瓷、金属间化合物、高温合金、复合材料。这些材料的一个共同特点是强度和硬度高，塑性和韧性差，焊接中极易产生裂纹，采用常规的焊接方法很难对这类材料进行焊接。然而，先进材料的发展及应用与高新技术的开发发展密切相关，是高新技术

5、发展必要的物质基础。因此，如何实现工程中先进难焊材料的连接就变得至关重要。太原科技大学1主要特点：与高技术密切相关主要特点：与高技术密切相关 从先进材料的合成和制造看，往往是利用了一些通过高技术从先进材料的合成和制造看，往往是利用了一些通过高技术获得的获得的极端条件极端条件作为必要手段。作为必要手段。( (例如：超高压、超高真空例如：超高压、超高真空、极低温、超高速冷却以及超高纯度等、极低温、超高速冷却以及超高纯度等) ) 先进材料的研究与发展与先进材料的研究与发展与计算机技术和先进的自动控制技术计算机技术和先进的自动控制技术的发展和应用密切相关。的发展和应用密切相关。 先进材料的先进材料的质

6、量要求往往是非常苛刻的质量要求往往是非常苛刻的( (例如超微量的杂质例如超微量的杂质以及原子级的缺陷等以及原子级的缺陷等) ) 先进先进材料本身就是高技术的一部分材料本身就是高技术的一部分，属于技术密集程度高和，属于技术密集程度高和保密性强的产业。保密性强的产业。太原科技大学11.先进陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物为原料，经适当配料、成型和高温烧结等人工合成的无机非金属材料。先进陶瓷材料先进陶瓷材料又称高性能陶瓷、新型陶瓷或高技术陶瓷，是以精制的高纯、超细人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的制备工艺获得具有优异性能的新一代陶瓷。先进材料的应用及发展

7、先进材料的应用及发展太原科技大学1先进陶瓷材料的特点：先进陶瓷材料的特点：现代的陶瓷材料冠以“ 先进”(也可称作“ 精细” 、“ 高技术”等), 是为了与传统的陶瓷材料相区别。(1)原材料的不同。传统陶瓷以天然矿物, 如粘土、石英和长石等不加处理直接使用;而现代陶瓷则使用经人工合成的高质量的粉体作起始材料。(2)结构的不同。传统陶瓷中由于杂质成份和杂质相众多而不易控制, 显微结构粗劣而不够均匀, 多气孔;先进陶瓷则化学和相组成较简单明晰, 纯度高, 后者的显微结构均匀而细密。(3)制备工艺的不同。传统陶瓷用的矿物经混合可直接用于湿法成型, 如泥料的塑性成型和浆料的注浆成型, 材料的烧结温度一般

8、为900 到1400;而先进陶瓷用高纯度粉体一般添加有机的添加剂才能适合于干法或湿法成型, 材料的烧结温度较高, 根据材料不同从1200 到2200, 烧成后一般尚需加工。(4)性能不同。传统陶瓷材料一般限于日用和建筑使用；而先进陶瓷, 基于其优异的力学性能特别是高温力学性质和各种光、热、电、声、磁的功能。太原科技大学1先进陶瓷的发展趋势：先进陶瓷的发展趋势：1）由单相、高纯材料向多相复合陶瓷方向发展；2）从微米级尺度向纳米级方向发展，及向介于原子或分子与常规的微米机构之间的过渡性接过去发展；3）陶瓷材料的加工技术发展。如形状设计和连接等。太原科技大学1氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷刀具-Al2O3

9、与与-Al2O3交替涂层的刀具交替涂层的刀具太原科技大学12.金属间化合物金属间化合物金属间化合物是指金属与金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物，其原子排列具有高度有序化的规律。当它以微小颗粒形式存在于合金的组织中时，将会使合金的整体强度得到提高，特别是在一定温度范围内合金的强度随温度升高而增强。金属间化合物分类：金属间化合物分类：承力结构类和功能金属间化合物。前者具有良好的室温和高温力学性能（Ni3Al、FeAl、TiAl等）；后者具有特殊物理和化学性能（YCo5、NiTi、Nb3Sn等）。太原科技大学13.高温合金高温合金是指在600-1200高温下能承受一定应力并具

10、有耐氧化或耐腐蚀能力的合金，可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。太原科技大学1复合材料：复合材料：以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。4.先进复合材料先进复合材料6000年前人类就已经会用稻草加年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。水泥复粘土作为建筑复合材料。水泥复合材料已方法应用于高楼大厦和合材料已方法应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。重要的作用。燕子窝：泥土燕子窝：泥土-草复合材料草复合材料太原科技大学1太

11、原科技大学1高性能工程塑料高性能工程塑料主要是根据航空航天等高新技术领域的需求发展起来的一类综合性能优异的耐热热塑性工程塑料。5.高性能工程塑料高性能工程塑料(特种工程塑料特种工程塑料) 特种工程塑料特种工程塑料 (美美High performance plsatics; 日日Super Engineering plastics)的特点的特点：具有具有优异的耐热性优异的耐热性，热变形温度在热变形温度在200以上以上，长期使用长期使用温度在温度在150以上以上，且，且具有一定机械强度具有一定机械强度的聚合物。的聚合物。太原科技大学16.钛及钛合金钛及钛合金钛合金钛合金作为一种高强、耐蚀、耐热的新

12、型材料，广泛应用航空领域，已成为与铝合金和高强钢并驾齐驱的四大飞机结构材料之一，其应用水平已成为衡量飞机先进性的重要标志。因此钛合金的焊接技术也被认为第四代战机制造的标志性技术。太原科技大学17.超导材料超导材料超导材料超导材料是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。石墨烯超导材料高温超导材料太原科技大学1B787材料分布材料分布太原科技大学1作业：作业：太原科技大学1第二章：先进材料连接技术概述材料连接的分类与特点材料连接的分类与特点现代焊接技术的发展历程现代焊接技术的发展历程先进的材料连接技术先进的材料连

13、接技术太原科技大学1材料连接的原理、分类与特点材料连接的原理、分类与特点l材料连接材料连接是通过适当的手段，使两个或两个以上分离的固态物体产生形成一个整体，从而实现物理量的传导。主要连接方法主要连接方法机械连接焊接胶接铆接钎接微连接技术连接技术概述连接技术概述太原科技大学1l连接技术连接技术分为焊接与机械连接（如螺纹连接、铆接等）强度高， 密封性好， 接头重量轻， 加工简单，节约材料。先进连接技术的特征：先进连接技术的特征：接头的质量要好生产效率高节约材料与能源操作便捷太原科技大学1l焊接在实际应用：太原科技大学1先进材料连接技术的分类先进材料连接技术的分类连接需要外加热能，根据热源功率密度的

14、不同热源功率密度的不同，熔化连接热源的功率密度可以分为如下四个区域：1）低功率密度区，功率密度小于3 102W/cm2，热传导散失大量的热。2）中功率密度区，功率密度范围为3 102-105W/cm2，材料熔化，不存在材料蒸发散热不严重，绝大部分常规焊接方法功率密度都在这个范围。3）高功率密度区，功率密度范围为105-109W/cm2，存在材料蒸发，强烈的蒸发会在熔池中产生小孔。4）超高功率密度区，功率密度范围为大于109W/cm2，高功率脉冲激光聚焦成很小的束斑时出现这种情况。太原科技大学1太原科技大学1焊接的发展历程焊接焊接是一门新兴的同时又是一门古老的技术。从历史上说，它在3000年以前

15、就有记载，但真正成为一门重要的制造技术，是最近百年的事。焊接发展历程大致分成三个阶段：第一次工业革命前，以炭火加热的锻焊、钎焊等为代表；第一次工业革命到二次世界大战前，以手工电弧焊和电阻焊等为代表；二次世界大战后，以气电焊、激光焊等为代表。太原科技大学1锻焊锻焊：在古代锻焊曾是金属连接的唯一方式。电阻焊：电阻焊：l1856年，年，James Joule首次成首次成功用电阻加热法对一捆铜丝进功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。行了熔化焊接。l1886年，年，Elihu Thomson制制造了首台焊接变压器，随后又造了首台焊接变压器，随后又发明了点焊机、缝焊机、凸焊发明了点焊机、缝焊机、凸焊机

16、以及闪光对焊机。机以及闪光对焊机。 太原科技大学1电弧焊：电弧焊： l1810年年，Humphrey Davy在电路的两极造了一个稳定的在电路的两极造了一个稳定的电弧电弧电弧焊的基础。电弧焊的基础。l1881年，年， Nikolai Benardos在碳极和工件间产生了电弧，在碳极和工件间产生了电弧，金属棒或金属丝可以送进这个电弧并熔化。金属棒或金属丝可以送进这个电弧并熔化。l1890年，年， Benardos进一步完善了这一焊接法，用金属棒进一步完善了这一焊接法，用金属棒代替碳棒作为电极，焊接过程中电极熔化，充当热源和填代替碳棒作为电极，焊接过程中电极熔化，充当热源和填充金属。充金属。l19

17、07年年，Oscar Kjellberg发明了涂层焊条，使焊缝质量显发明了涂层焊条，使焊缝质量显著改善，电焊技术得到突破。著改善，电焊技术得到突破。1919世纪末以前没有出现电焊的原因之一就是缺乏合适的电源。世纪末以前没有出现电焊的原因之一就是缺乏合适的电源。太原科技大学1焊接技术的发展历史焊接技术的发展历史1908 电渣焊电渣焊ESW；俄罗斯美国乌克兰；俄罗斯美国乌克兰 1909 等离子焊接等离子焊接 PAW；德国美国德国美国 1920 钨极惰性气体保护电弧焊钨极惰性气体保护电弧焊 TIG，GMAW； 美国美国 1930 螺柱焊；美国螺柱焊；美国 1930 熔化极惰性气体保护电弧焊熔化极惰性

18、气体保护电弧焊 MIG；美国美国 1930 埋弧焊埋弧焊 SAW； 美国美国 1953 活性气体保护电弧焊活性气体保护电弧焊 MAG，GMAW；俄罗斯俄罗斯1970激光焊接激光焊接 LBW；英国英国 1991 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊 FSW 英国英国 太原科技大学1先进材料连接技术1.电子束焊接电子束焊电子束焊是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。电子枪中阴极经电流加热后，在阴阳极间几十至上百千伏的加速电压作用下发射出电子流，该电子流在偏压栅极的控制和聚束作用下形成一束电子从阳极孔中穿过，经过电子枪隔离阀后在聚焦磁透镜的作用下以极高的能量密度和光速70%

19、的速度注入焊接工件、强大的电子动能迅速转化为热能将焊接工件局部熔化而达到焊接的目的。太原科技大学1功率密度大，热量集中；穿透能力强，焊缝深宽比大；焊接速度快，焊缝组织性能好；焊缝纯度高；焊接参数调节范围大，适应性强；可焊材料广。 电子束焊接的特点：电子束焊接的特点：太原科技大学1电子束焊接的应用电子束焊接的应用目前应用场合：目前应用场合：除含锌高的材料（如黄铜）和未脱氧处理的普通低碳钢外绝大多数金属及合金都可用奠基石焊接；焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属；可焊接不开坡口焊接厚度大工件，焊接变形小；可焊真空中使用的高要求器件；散焦电子束可用于焊前预热或焊后缓冷，作为钎焊热源。未来应用前

20、景：未来应用前景：复杂零件的大批量生产；应用与航天领域先进材料的焊接；能源、核工业、重型机械制造中厚大件焊接；多功能电子束焊的焊接设备和集成工艺以及电子束焊机的柔性化得到发展；宇航技术中的各类火箭、卫星、飞船、空间站等结构件、发动机焊接。太原科技大学1太原科技大学12.激光焊接激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接

21、中。太原科技大学1不同激光功率激光焊接物理过程不同激光功率激光焊接物理过程太原科技大学1光束参数积与激光功率决定加工范围光束参数积与激光功率决定加工范围太原科技大学1激光焊的特点：激光焊的特点：高功率密度；光束衰减小，可进行远距离或难接近部位焊接；一台激光器可以进行不同工作，焊接、切割、熔覆、热处理；可以穿透透明物体，可以在玻璃制成的透明封闭的容器内进行焊接；激光不受磁场影响，不需要真空保护；可焊接难焊材料，如高熔点金属、陶瓷、有机玻璃等。太原科技大学1激光焊的应用：激光焊的应用：航空、电子仪表、机械器件、钢铁冶金材料、汽车行业、医疗器械、食品等行业。太原科技大学1激光加工技术在汽车中的应用：

22、激光加工技术在汽车中的应用：太原科技大学1扩散连接扩散连接扩散连接扩散连接是将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。固态扩散连接扩散连接加中间层的扩散连接不加中间层的扩散连接真空扩散连接气体保护扩散连接溶剂保护扩散连接烧结扩散连接瞬时液相扩散连接超塑性成形扩散连接扩散连接的分类：扩散连接的分类：太原科技大学1扩散焊的工艺优势：扩散焊的工艺优势：进行内部及多点、大断面构件连接；不存在有过热组织的热影响区；高精度连接；难焊金属连接，如耐热合金、陶瓷、金属间化合物和符合材料连接。太原科技大学1扩散焊的三个阶段：扩散焊的三个阶段：太原科技大学1水下

23、焊接技术水下焊接水下焊接主要用于海洋平台水下部分、海底管道等的修复。因为水的存在，需要形式，直接影响焊接方法和设备的选择，作为典型的严酷环境焊接作业，自动化是水下焊接技术采用特殊的焊接方法、材料和设备才有可能获得合格的焊缝，而且不同水深、不同结构物的重要发展趋势。太原科技大学1水下焊接的分类：水下焊接的分类：干法水下焊接技术、湿发水下焊接技术、局部干法水下焊接技术、螺柱焊接、爆炸焊电子束焊接、激光焊接。可见度差，水对光的作用强，在水中传播时减弱得很快。焊缝含氢量高，很容易引起裂纹，甚至导致结构的破坏。冷却速度快，海水的热传导系数高，是空气的20倍左右。水对焊缝的急冷效果明显，容易产生高硬度淬硬

24、组织。随着压力增加，电弧弧柱变细，焊道宽度变窄，焊缝高度增加，同时导电介质密度增加，从而增加了电离难度，电弧电压之升高，电弧稳定性降低，飞溅和烟尘增多。连续作业难以实现，由于受水下环境的影响和限制。水下焊接的特点：水下焊接的特点：太原科技大学1太空焊接技术21世纪将是人类向太空发展具有规模的时代。空间工作站、航天器以及拟建的太空工厂都同样需要相应的连接和焊接技术。太空焊接技术太空焊接技术有其自身的特点，与地球大气中的焊接将显然不相同，早已引起人们的关注。乌克兰太空焊乌克兰太空焊接设备接设备太原科技大学1太空焊接的特点及对焊接的影响：太空焊接的特点及对焊接的影响：零或微重力、高真空、存在界线分明

25、的“亮-暗”区域、腐蚀速度增大、氧化过程加速等。太空焊接的分类：太空焊接的分类：电子束焊、钎焊、爆炸焊、摩擦焊、超声波焊、扩散焊、激光焊、热搿焊、电容储能焊。太原科技大学1第三章：塑料的连接技术塑料概述塑料概述塑料焊接的原理及影响因素塑料焊接的原理及影响因素塑料焊接方法塑料焊接方法太原科技大学1第一节：塑料的概述第一节：塑料的概述塑料是塑料是一种以高分子合成树脂为主要成分，以增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅料成分的材料。它在一定的温度和压力下，塑制成不同形状的型材或制品，外力解除后在常温下仍能保持不变的形状。太原科技大学1增塑剂：增塑剂：可增加塑料的可塑性和柔软性，降低脆性，使塑料易

26、于加工成型。例如生产聚氯乙烯塑料时，若加入较多的增塑剂便可得到软质聚氯乙烯塑料，若不加或少加增塑剂(用量Tf)，这时高聚物在外力作用下发生粘性流动。熔化温度熔化温度Tm：热分解温度Td：太原科技大学1热塑性塑料工艺加工的温度范围：热塑性塑料工艺加工的温度范围：Td-Tm(Tf)塑料的焊接就是在这个温度区间进行的：塑料的焊接就是在这个温度区间进行的：Tm或Tf的数值越高，塑料焊接的温度就越高，设备成本因此也越高；Tm或Tf与Td之间的区域越窄，塑料焊接的操作越困难。太原科技大学1塑料焊接的基本原理是热熔状态的塑料大分子在焊接压力的作用下相互扩散，产生范德华作用力，从而紧密的焊接在一起。第二节：塑

27、料焊接原理及影响因素第二节：塑料焊接原理及影响因素p塑料焊接的原理塑料焊接的原理太原科技大学1温度：温度：导致塑料熔融流动的焊接温度压力：压力：对焊接表面施加适当的压力，焊接材料将由弹性向塑性过渡，并可以促进大分子相互扩散，并挤去焊缝中残余气隙，从而增加焊接面密封性能时间：时间：要有适当的热熔时间和足够的冷却时间。当热功率一定时，时间不够会出现虚焊，时间过长会造成焊件变形，熔渣溢出，有时还会在非焊接部位出现热斑（变色）。必须保证焊接面吸收足够的热量达到充分熔融的状态，才能保证分子间充分扩散熔合，同时必须保证足够的冷却时间使焊缝达到足够的强度。 p塑料焊接的必要条件：塑料焊接的必要条件：太原科技

28、大学1不同点不同点：（：（1 1）焊接金属时，焊条与基体材料熔成一体。金属有确定的熔点，而塑料在软化温度和烧焦或燃烧的温度之间有很大的熔化温度范围。此外，与金属不同的是，塑料的导热性极差(可认为其不导热)，这是塑料在焊接时很难保持热量的均匀性。在对其加热时，塑料表面下的塑料部分还未完全熔化时，塑料焊条和塑料表面就会烧焦或燃烧。在焊接温度下分解的时间比在熔焊中使许多塑料软化所需的时间短，所以塑料焊机的工作温度范围要比金属焊机小得多。相同点：相同点：都要热源和焊条，接头的类型大致相同，焊接方法相同，强度的评定方法相似。p 塑料焊接与金属焊接的异同点塑料焊接与金属焊接的异同点太原科技大学1（2）由于

29、塑料焊条不会完全熔化，所以在焊接前后看了没有变样。从事焊接金属的技工往往会认为这样的塑料焊接是不完全的。理由是，因为只有焊条的外表面熔化，其内芯仍然是硬的。焊工可向焊条施加压力，使它进入焊区并形成永久结合。（3）焊接塑料时，材料在热量和压力的适当结合下熔融在一起。采用常用的手工焊接方法时，这种结合是靠用一只手向焊条施加压力，而同时用焊炬的热气把焊条和基体材料加热并保持扇形动作而实现。成功的焊接在于保持压力和热量恒定和适当均衡。对焊条施加过大压力会使焊缝扩大，而热量过多会使塑料烧焦。太原科技大学1(1)(1)塑料的焊接工艺首先应该根据母材的焊接性能制订。塑料的焊接工艺首先应该根据母材的焊接性能制

30、订。除了母材因素外，塑料的一次加工过程也是影响焊接性能的重要因素之一。通常，由于一次成型加工，塑料内的组织结构、分子取向状态、结晶度以及内应力等均已发生变化，这些变化往往影响塑料的焊接性能或者焊接强度。太原科技大学1(2)(2)焊件预处理状态焊件预处理状态焊件表面清洁脱脂去污(注意选用的脱脂清洁剂不能溶解被焊接材料，也不应使之膨胀)。 焊件表面平整与平行的预加工处理例如管道端面对接焊时，必须先用平行机动旋刀削平两个管材的被焊端面，并保证两个端面相互接触时基本平行； 用于超声波焊接的塑料注塑件，其注塑模具应保证该构件的焊接面平行接触。太原科技大学1(3)(3)焊接接头的强度既与被焊塑料的品种和材

31、质有关，又与焊接接头的强度既与被焊塑料的品种和材质有关，又与焊接工艺方法有关。焊接工艺方法有关。太原科技大学1(4)(4)塑料的吸湿性塑料的吸湿性 如果焊接潮湿的塑料制品，内含的水分会在受热后化为蒸气跑出而在焊面上出现气泡，使焊接面密封性能减弱。吸湿较为严重的材料有PA、ABS、PMMA等。用这些材料做的制品，焊前必须进行干燥处理。 太原科技大学1(5)(5)塑料中的填充物塑料中的填充物 如玻璃纤维、滑石粉、云母等，它们改变了材料的物理特性。塑料中填充料的含量同塑料的可焊性和焊接质量有很大的关系。填充物含量低于20%的塑料可以正常进行焊接，不需要进行特殊的处理。填充物含量超过30%时，由于表面

32、塑料比例不足，分子间融合的不够，会降低密封性。 太原科技大学1第三节：塑料的焊接方法太原科技大学1热气体：大多数情况下即热风，利用电加热元件将一定压力的空气加热；压力：通过手动或机械方式1.1.基本概念基本概念将热气体通过喷嘴喷到塑料上，对塑料表面加热，并对焊接区施加压力，从而进行焊接的方法称为热气焊。在塑料焊接的发展和应用中，热气焊方法历史最长，应用广泛。两个要素：p热气焊热气焊( (热空气塑料焊接热空气塑料焊接) )太原科技大学1(1)热气摆动焊摆动热气喷口，分别对被焊基体和焊条加热，焊条在一定的手持顶紧力下熔化，进而进入焊缝。2.热气焊方法的分类热气焊方法的分类太原科技大学1(2)热气嵌

33、入焊焊条先被引进焊枪头部并被预热塑化，自然熔嵌进焊缝。通过焊枪头的设计或其他专用工具，可以根据焊缝的形式，手动施加一定的焊接压力。太原科技大学1(3)热气搭接焊用热气对塑料的搭接缝隙进行加热，并用手压或机械装置对焊接区施加压力，从而实现焊接。热气搭接焊一般不需要焊条。太原科技大学1(4)热气挤塑焊以焊接填料在塑化装置(挤出机)内充分均匀混合，塑化后挤出的棒状熔料为焊接填料，填进已预热至焊接温度的焊接表面并用专用压具压实的塑料焊接方法。主要用于聚乙烯和聚丙烯塑料的焊接。太原科技大学1(1)空气压缩机，提供热气焊时的热源。为了便于野外施工使用，也可采用300W吹尘机来代替笨重的空气压缩机。(2)空

34、气过滤器，也称油水分离器或干燥过滤器。由于空气中存在水分和灰尘会降低焊接强度，并影响焊枪的使用寿命。例如，空气中的水分对电热焊枪的电阻有很大的损害，成为经常修理的原因。 (3)变压器，用于改变焊枪内电热丝的供电电压的大小，从而调节焊枪喷嘴喷出的压缩空气的温度。3.3.热气焊方法的设备热气焊方法的设备太原科技大学1(4)焊枪金属外壳空心手柄喷嘴组成喷嘴的设计最为重要。若喷嘴直径过小时，受热面太窄，无法使焊条和焊接面均匀受热；若喷嘴直径过大，易使焊接面熔融过多，焊接时起毛，影响外观。太原科技大学1手焊枪快速焊枪l喷嘴大；l可用大直径焊条，提高工作效率；l对热气作了分流：一部分热气用来加热基材，另一

35、部分用来预热焊条；l由机械操纵。分类太原科技大学1气源：气源：热气焊过程中作为焊接热源载体的气体必须去油、去水分。热气可以是空气，或氮气等惰性气体。出于安全考虑，热气焊不得使用可燃气体作为热源气体。根据被焊塑料品种不同，加热要求不同，气源温度不同。典型塑料品种热气焊的温度范围典型塑料品种热气焊的温度范围填充材料：填充材料：常见的热气焊填充材料有圆形、矩形截面以及绳状或条状的焊条。热塑性硬塑料的焊接多用直径为2mm、3mm或4mm的圆截面焊条。热塑性软塑料多使用不小于3mm直径的绳状或条状焊条。4.热气焊材料热气焊材料太原科技大学1l将焊机调节到适当温度；l 用塑料清洁剂清洗零件；l开破口；l定

36、位焊或用胶粘好；l使用合适的焊条和喷嘴焊接，(焊条顶紧在焊道坡口的焊接表面上，然后用热风均匀对其及母材加热，直至熔融焊合,焊好后冷却、硬化处理约30min)；l将焊缝磨光、擦光或刮出适当的轮廓和形状。太原科技大学1l塑料母材的焊接性塑料母材的焊接性与母材相适应的填充材料，一般焊条应与母材相同；焊缝的形式和焊道数，一般讲，焊道数应少，每道应厚。l焊接条件焊接条件(温度、速度、压力温度、速度、压力) a.温度：焊接温度一般是热气流温度190220左右。若焊接温度增高，焊接速度也应增快，但温度过高会产生焦灼；温度过低，会使焊缝与材料之间强度降低。 b.速度：焊速一般为915米/时。焊速太快而温度又低

37、时，焊条和焊件没有充分软化，就粘接不牢，在焊缝断面能看到一根根圆形的焊条；焊速太慢而焊接温度过高时，会烧焦。 c.压力：焊接时，焊条和对焊条施加压力的方向都应与被焊材料的焊缝成90角度。太原科技大学1优点：焊接设备容易携带；缺点：焊接过程缓慢。太原科技大学1 利用一个或多个发热工具对被焊塑料的表面进行加热，直至其表面层充分熔化，然后在压力作用下进行焊接的方法称为发热工具焊接，或简称为热工具焊。热工具焊是目前应用最广泛的塑料焊接方法之一。 热工具焊通常不需要填充材料，依靠手力或机械力产生焊接压力。1.基本概念p热工具焊太原科技大学1区别：发热工具与塑料表面之间不同的相互位置热工具焊分为直接式热工

38、具焊直接式热工具焊和间接式热工具焊间接式热工具焊两种。直接式工具焊的发热工具直接位于两个对接焊的面与面之间，通过热传导和热辐射直接对塑料表面加热。焊接壁厚一般大于0.8mm。间接工具焊的式发热工具安装在被焊塑料焊接面的背面，加热焊接面的热能必须通过一定的距离才能传到焊接面上。即热能是通过一定厚度的被焊塑料后，简接地作用于焊接面上。主要用于焊接厚度小于或等于0.8mm的塑料薄膜。太原科技大学1准备阶段加热(预热)周期切换周期：在加热达到塑料的熔融焊接状态后，必须快速撤移出位于两个对接面之间的发热工具。压焊周期：焊接压力必须保持到焊接区内的热熔态塑料完全冷却硬化位置，从而保证焊接接头具有足够的强度

39、。2.2.直接式热工具焊直接式热工具焊太原科技大学1太原科技大学1热工具对接焊：发热工具的两个加热面相互平行地同时对被焊塑料端面加热，待焊接面上的塑料热熔后，手控或机械控制切换过程和焊接压力，将两个表面压焊成一体，从而实现焊接。热工具直角焊：用发热工具分别对两块被焊塑料的端面和平面加热，手控或机械控制切换运动和焊接压力，将它们直角焊接在一起。典型的直接式热工具焊方法典型的直接式热工具焊方法 太原科技大学1热工具弯角焊：热工具弯角焊：借助于手力或机械力将楔子形的发热工具压进被焊塑料的表面，使其熔化，形成缺口，然后将塑料扳向缺口缺口方向折成弯角，使呈楔子形的缺口焊接在一起。热工具套焊接：热工具套焊

40、接：用发热焊接工具的内环面和外环面分别对被焊管材相应的外侧面和内侧面加热，然后拔出发热工具，把被焊管材热压在一起。太原科技大学1内藏电热丝焊接：内藏电热丝焊接：利用在被焊套管内环面上缠绕的电热丝对管材的套接面加热，从而进行焊接。发热锲搭焊接：发热锲搭焊接：作为发热工具的热锲位于两个搭接面之间，通过手控或机械控制压轮将搭接面压焊在一起。热工具割焊接：热工具割焊接：先将被焊塑料片材叠放在一起，然后用丝形、带形或刀形状的发热工具将其切断，断面上的塑料与发热工具的侧表面加热面接触熔化，从而焊接在一起。太原科技大学1热脉冲焊：焊接过程中，发热工具中的电加热装置仅在加热周期里接通，而焊接压力则在整个焊接过

41、程中，始终作用于焊接面上。11焊缝焊缝 22被焊材料被焊材料 33热带夹持头热带夹持头44弹性隔热层弹性隔热层 55热带热带 66工作面工作面 77隔离套隔离套3.3.间接式热工具焊间接式热工具焊太原科技大学1热接触焊：热接触焊：焊接过程中，发热工具持续加热，但热能仅在加热阶段里分别通过两块隔离夹持板接触传递给被焊工件。冷却周期里，发热工具脱离夹持板，由夹持板保持加紧力，保证焊接面上具有足够的焊接压力及一定的作用时间。88工作面工作面 99被焊工件被焊工件1010压头压头 1111隔离支撑板隔离支撑板1212焊缝焊缝太原科技大学1热滚轮焊：被焊塑料被连续地引入滚轮系统，通过滚轮热滚轮焊：被焊塑

42、料被连续地引入滚轮系统，通过滚轮中的持续加热装置和冷却装置进行焊接。中的持续加热装置和冷却装置进行焊接。1313被焊材料被焊材料 1414滚轮滚轮 1515发热元件发热元件 1616冷却装置冷却装置1717滚轮带滚轮带 1818焊缝焊缝 1919工作面工作面太原科技大学1l加热工具：焊接温度时实现焊接和保证良好焊接质量的重要条件，加热工具是热工具焊接的重要构件。l温度、时间、压力等的控制系统：在自动化的焊接机中，热工具焊的控制系统，包括温度、压力、时间等控制系统，这些控制系统用以确保实现预期工艺目标。4.4.热工具焊设备热工具焊设备太原科技大学1l母材塑料的焊接性：母材塑料的焊接性：最适宜热工

43、具焊的塑料品种是聚烯烃(如聚乙烯、聚丙烯等)。异种塑料之间、或者同一品种但不同牌号的塑料之间的焊接性能必须根据试焊结果才能确定。l焊接参数的确定、调整与控制以及正确的操作。焊接参数的确定、调整与控制以及正确的操作。l被焊件厚度被焊件厚度l加热的方式加热的方式l发热工具的表面质量和清洁度发热工具的表面质量和清洁度(对于直接式热工具焊而言)，发热工具表面必须清洁、阻燃、不会与被焊塑料起反应，并能防止塑料热熔后粘贴在发热工具的表面。发热工具表面通常都涂敷一层增强聚四氟乙烯膜。5.热工具焊质量的影响因素热工具焊质量的影响因素太原科技大学1塑料超声波焊接塑料超声波焊接是塑料的焊接面在超声波能量的作用下作

44、高频机械振动而发热熔化，同时施加焊接压力，从而把塑料焊接在一起。超声波振动和焊接压力的作用方向一般垂直于被焊接面。超声波焊接原则上适用于大多数热塑性塑料。主要用于焊接模塑件、薄膜、板材和线材等，通常不需要填充材料。1.基本概念p超声波焊太原科技大学12.超声波焊接原理超声波焊接原理太原科技大学1太原科技大学1太原科技大学1太原科技大学1超声波熔接的工作原理：振动能量从焊头传递到工件，工件之间的摩擦产生的热量将工件熔接面熔化，从而焊接成一体。太原科技大学1 能量定向唇能量定向唇：减小超声波焊接的起始接触面积，以达到理想的起始加热状态；准确地控制材料熔化后的流动；防止工件自身过热。太原科技大学1l

45、近程超声波焊接：超声波振头和塑料焊接面之间的作用距离很近，导致与振头端面接触的整个塑料焊接面都发生热熔化，从而实现焊接。l远程超声波焊接：超声波振头和塑料焊接面之间的作用距离较远，超声波能量必须经过被焊工件传递至焊接面，并仅能在焊接面上产生机械振动，从而发热熔焊接。位于超声波振头和按揭面之间起传能作用的工件本身，并不发热。3.3.超声波焊接分类超声波焊接分类太原科技大学1超声波发生器：超声波发生器：将输入的低频电流转换为输出的高频电流。高频电流的频率范围与超声波频率范围相同。一般为2040kHz。换能器：换能器：将电能转换成机械能。调幅器：调幅器：改变振幅。焊头焊头(振头振头)：通常是一半波长

46、的共振金属块，将振动能量传递到工件上。底模底模(底座底座)：在焊接时需要对下面的工件进行固定及支撑。4.4.超声波焊接设备超声波焊接设备太原科技大学1(1)母材的焊接性能母材的焊接性能由超声波的工作原理可以知道，超声波的实际功率并不大，工作时间短，所以产生的热量有限，所以一般只适用于一些熔点较低(400 以下)的材料。主要以热塑性的聚合物即塑料为主。一般来说，聚合物的熔点越高，其焊接所需的超音波能量越多。材料的硬度对其是否能有效传输超音速振动是很有影响的。总的说来，愈硬的材料其传导力愈强。 5.5.塑料超声波焊接的影响因素塑料超声波焊接的影响因素太原科技大学1(2)(2)超声波的熔接能量超声波

47、的熔接能量太原科技大学1影响熔接能量的因素影响熔接能量的因素气压：气压：通过调压阀来调整，一般来说气压越大，能量越大。下降速度：下降速度：一般来说，下降速度越大，能量越大。频率：频率：超声波熔接机器都有固定的频率，频率越大，能量越大。振幅：振幅：振幅的调整可以通过调幅器和焊头的设计来达到。焊接时间：焊接时间：焊接时间越长，焊接的能量越大。保压时间：保压时间：保压时间是在塑料熔化之后的保持气压的时间，时间越长，形成的焊点越稳定，变形越小。太原科技大学1压力：压力：压力过低，会延长焊接时间，使工件表面产生疤痕或质量不佳；压力过高，会使工件破裂，使界面结合欠佳，甚至过载，而终止超声。时间：时间：过长

48、的焊接时间,会产生飞边或质量下降,特别是严格密封的场合下,更要注意；过长的焊接时间,会使工件偏离焊接区、表面熔化或破裂，特别是有孔部位、模合线上或头角处。(3)(3)焊接参数焊接参数太原科技大学1优点：优点：焊缝固定而美观(发热仅集中在焊接部分)；不受待焊表面污染的限制(超声波高频机械振动同时起清洁破碎表面作用)，广泛应用于医药、制油、和食品工业等；容易实现自动化生产；焊接强度高，粘接牢固。缺点：缺点：设备成本比较高；焊接速度受到限制。6.6.超声波焊接的特点超声波焊接的特点太原科技大学1被焊塑料至于两电极之间，在高频交变电场和焊接压力的共同作用下发热熔化，进而焊接在一起。因为只有较大的材料电

49、介损耗系数才能把电场中的高频交变电流转变为足以进行焊接的热能，所以只有那些电介质损耗系数等于或大于0.01的热塑性塑料才适用于高频电焊。1.基本概念四、高频电焊四、高频电焊太原科技大学1 集肤效应：当导体通以交流电流时，导体断面上出现的电流分布不均匀，电流密度由导体中心向表面逐渐增加，大部分电流仅沿导体表层流动的一种物理现象。导体的电阻率越低、磁导率越大、电流的频率越高，其集肤效应越显著。 邻近效应：当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时，电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象。 电磁感应：将工件置于感应器内，当感应器中有交流电流通过时，在感应器内部和周围产生与电路频

50、率相同的交变磁场，周围变化的磁力线切割工件，因此在零件内就产生感应电势，而在零件表面产生感应电流，这种现象加电磁感应。2.2.高频电焊原理高频电焊原理太原科技大学1借助高频电流的集肤效应可以使高频电能量集中于焊件的表层，而利用邻近效应，又可控制高频电流流动路线的位置和范围。当要求高频电流集中于焊件的某一部位时，只要将导体与焊件构成电流回路并使导体靠近焊件上的这一部位，使它们相互之间构成邻近导体，就能实现这个要求。高频焊就是根据焊件结构的具体形式和特殊要求，主要运用集肤效应和邻近效应，使焊件待焊处的表层金属得以快速加热而实现焊接。 高频焊接原理：高频焊接原理：太原科技大学1 塑料薄膜在高频电场的

51、作用下，极性分子按照与电极相反的方向排列，即分子中的正电荷转向负极，负电荷转向正极。如果电场方向改变，电荷也将改变位置，这种电荷的位移称为“极化”。为此必须克服摩擦阻力，消耗一定的能量，而这种能量的消耗，通常又转化为热的形式放出，这就是在高频焊接中塑料薄膜之所以发热的道理。发热的薄膜在底板与模具的适当压力下，两层薄膜就能粘合在一起。塑料高频电焊原理：塑料高频电焊原理：太原科技大学1(1)(1)高频电源高频电源(2)(2)控制系统控制系统(3)(3)冷却系统冷却系统(4)(4)工装夹具工装夹具工频交流电直流电高频交流电高频变压器感应线圈焊接件加热整流逆变电流变换涡流效应时间控制：焊接时间，保温时

52、间，冷却时间电流控制：过热，过流保护控制：欠压保护感应线圈的冷却，高频变压器的冷却，一般采用水冷依照焊接工件的定位、焊接要求等来制作工装夹具3.3.高频电焊的设备高频电焊的设备太原科技大学1n母材的焊接性n两块电极端面之间的相互平行度及焊具运动的控制。n焊接参数：焊接压力、焊接功率、电场强度、焊接时间、冷却时间、电极压入深度等的控制。n母材表面的清洁度。4.4.塑料高频电焊的影响因素塑料高频电焊的影响因素太原科技大学1五、塑料焊接方法的选择五、塑料焊接方法的选择太原科技大学1作业作业高温合金概论高温合金概论一般高温合金的焊接一般高温合金的焊接先进高温合金的焊接先进高温合金的焊接太原科技大学11

53、. 高温合金概念高温合金概念 高温合金：高温合金：以以Fe、Ni或或Co为基为基，为在承受较大的机械应力，为在承受较大的机械应力和要求具有良好表面稳定性的环境下进行和要求具有良好表面稳定性的环境下进行高温服役高温服役而研制而研制的一类合金，一般要求能在的一类合金，一般要求能在6001200的高温下的高温下抗氧化或抗氧化或腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作。腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作。 先进高温合金：先进高温合金：进一步提高进一步提高合金的工作温度和综合性能。合金的工作温度和综合性能。太原科技大学1 随着人类飞向随着人类飞向太空，核动力、光太空，核动力、光子火箭的发展，对子火箭的发展，对

54、高温的要求进一步高温的要求进一步提高，将超出金属提高，将超出金属高温合金的极限，高温合金的极限，需要发展其他类型需要发展其他类型的高温材料。的高温材料。图图 高温合金的发展过程高温合金的发展过程2.高温合金发展概况高温合金发展概况太原科技大学13.高温合金的特性高温合金的特性 在高温下合金能具有在高温下合金能具有较高的强度较高的强度，良好的疲劳良好的疲劳性能性能、断裂韧度断裂韧度，以及，以及强的抗氧化强的抗氧化和和抗热腐蚀抗热腐蚀性能，性能，并保持并保持良好的组织稳定性良好的组织稳定性和和可靠的使用性能可靠的使用性能等综合等综合性能。性能。性能特点：性能特点： 高温合金具有较高的高温强度；高温

55、合金具有较高的高温强度； 良好的抗氧化和抗热腐蚀性能；良好的抗氧化和抗热腐蚀性能； 良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性。良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性。太原科技大学1(1) 按合金基体元素种类分：按合金基体元素种类分： 铁基铁基高温合金高温合金 镍基镍基高温合金高温合金 钴基钴基高温合金高温合金4.高温合金的分类高温合金的分类太原科技大学1(1) 铁基高温合金铁基高温合金 铁基高温合金由奥氏体不锈钢发展而来，在铁基高温合金由奥氏体不锈钢发展而来，在18-8型不锈钢中加入钼、型不锈钢中加入钼、铌、钛等合金元素，使其在铌、钛等合金元素，使其在500700温度下的持久强度提高。温度下的持久强度提高。优点

56、：优点：成本低，可用于制作一些使用温度较低的航空发动机和工业燃成本低，可用于制作一些使用温度较低的航空发动机和工业燃气机上的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件、紧固件等。气机上的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件、紧固件等。缺点：缺点：铁基高温合金由于沉淀硬化型的组织不稳定，抗氧化性差，高铁基高温合金由于沉淀硬化型的组织不稳定，抗氧化性差，高温强度不够，仅可使用于温强度不够，仅可使用于800，(2) 镍基高温合金镍基高温合金 以镍为基体，以镍为基体，w Ni 50%，可在，可在7001000温度范围内使用。温度范围内使用。优点：优点：镍基高温合金可溶解较多的元素，具有较好的组织稳定性，高镍基高温合

57、金可溶解较多的元素，具有较好的组织稳定性，高温强度较高，温强度较高，比铁基高温合金有更好的抗氧化性和抗腐蚀性。比铁基高温合金有更好的抗氧化性和抗腐蚀性。太原科技大学1p应用最广、用量最大的是应用最广、用量最大的是镍基高温合金镍基高温合金，常用于制造航空，常用于制造航空发动机的叶片、涡轮盘和燃烧室等。发动机的叶片、涡轮盘和燃烧室等。11压气机；压气机；22燃烧室；燃烧室；33涡轮发动机涡轮发动机太原科技大学1太原科技大学1镍基高温合金主要特点：镍基高温合金主要特点： 1、高温强度高：镍基高温合金中的强化相数量可高达60-70%（体积百分数），因而强化效果显著。 2、组织稳定性高：FCC基体，不易

58、产生有害相，数量大(可高达70%)且与基体共格性好，性能对尺寸的影响不敏感。3、合金化程度高：含有Cr、 Co、Mo、W、B、Zr、Ta、V、Al、Ti等十多种元素。起固溶强化、第二相强化、晶界强化等综合强化作用。4、耐蚀性好：耐中性、酸性、碱性、氧化及还原介质的腐蚀。耐高温腐蚀和氧化。5、铸造镍基高温合金可进一步提高合金化程度，从而具有更高的高温强度。镍基高温合金的使用温度已接近1100。 太原科技大学1(3) 钴基高温合金钴基高温合金 WCo在4060的奥氏体高温合金，工作温度可达7301100。优点：当温度高于980时，其强度很高，抗热疲劳、热腐蚀和耐磨腐蚀性都很佳，适合于航空发动机，工

59、业燃气轮机，舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机的喷嘴等。缺点：一般钴基高温合金含w Ni = 10%22% 和 w Cr = 20%30%，以及钨、钼、钽、铌等固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量较高，是以碳化物为主要强化相的高温合金，缺少共格类的强化相，中温强度不如镍基高温合金。钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。太原科技大学1按合金强化类型分：按合金强化类型分： 固溶强化型合金固溶强化型合金 时效沉淀强化型合金时效沉淀强化型合金按合金材料成形方式分：按合金材料成形方式分： 变形高温合金：饼、棒、板、环形件、管、带和丝变形高温合金：饼、棒、板、环形件、管、带和

60、丝 铸造高温合金：普通精密铸造、定向凝固和单晶合金铸造高温合金：普通精密铸造、定向凝固和单晶合金 粉末冶金高温合金：普通和氧化物弥散强化合金粉末冶金高温合金：普通和氧化物弥散强化合金按使用特性：按使用特性： 高强度合金、高屈服强度合金、抗松弛合金、低膨胀合金、高强度合金、高屈服强度合金、抗松弛合金、低膨胀合金、抗热腐蚀合金等。抗热腐蚀合金等。太原科技大学15.提高高温合金性能的途径和方法提高高温合金性能的途径和方法(1)结构强化结构强化 1) 固溶强化固溶强化 加入其它元素，如不同原子尺寸的元素钴、钨、钼等，引起基体金属的点阵畸变。钨、钼可缓减基体金属扩散；钴降低合金基体的堆垛层错能，从而提高